【面试八股总结】单例模式实现详解

一、基本概念

        单例设计模式是⼀种确保⼀个类只有⼀个实例，并提供⼀个全局访问点来访问该实例的创建模式。

关键概念：

• 一个私有构造函数：确保只能单例类自己创建实例
• 一个私有静态变量：确保只有一个实例，私有静态变量用于保存该类的唯一实例
• 一个公有静态函数：给使用者提供调用方法

优点：

        有些实例全局只需要⼀个，使用单例模式就可以避免一个全局使用的类，频繁的创建与销毁，耗费系统资源。

二、实现方法

单例模式有两种类型：

• 懒汉式：在真正需要使用对象时，采取创建该单例类对象
• 饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，等待被程序使用

1. 懒汉式（线程不安全）

        懒汉式创建对象方法在程序使用前会先判断该对象是否已经实例化（判断是否为空），若已实例化直接返回该类对象，否则执行实例化。

class Singleton{
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}    // 构造函数为私有，确保外界不可以使用new创建该类实例
    
    public static Singleton GetInstance(){    // 该方法为本类实例的唯一全局访问点
        if (instance == NULL){         // 若实例不存在，则new一个实例，否则返回已有实例
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

2. 懒汉式（线程安全） 

        在这里考虑线程安全问题，如果多个线程同时判断instance为空，那么他们都会去实例化一个Singleton对象，就违背了单例模式的原则。为了保证线程安全，考虑加上锁。

public static synchronized Singleton getInstance() {
    synchronized(Singleton.class) {    
        if (instance== NULL) {         
            instance= new Singleton();
        }
    }
    return instance;
}

3. 双重检查锁

        上述代码虽然解决了线程安全问题，但是性能降低了。因为，即使实例已经实例化了， 但是锁还在，每次还是只能拿到锁的线程进入该方法使线程阻塞，等待时间过长。

        将锁的位置改变，并且多加了⼀个检查。也就是，先判断实例是否已经存在，若已经存在了，则不会执行判断方法内的有锁方法了。 而还没有实例化的时候多个线程进去也没有事，因为里面的方法有锁，只会让⼀个线程进⼊最内层方法并实例化实例。如此⼀来，最多也就是第⼀次实例化的时候，会有线程阻塞的情况，后续便不会再有线程阻塞的问题。

class Singleton{
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton(){}  
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance== NULL) {    
            synchronized(Singleton.class) {    // 加锁，只有一个线程获得该锁并进行初始化
                if (uniqueInstance== NULL) {         
                    uniqueInstance= new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

为什么使用volatile关键字修饰uniqueInstance变量？

uniqueInstance= new Singleton();

上述一行代码在执行时分为三步：

1. 为uniqueInstance分配空间；
2. 初始化uniqueInstance；
3. 将uniqueInstance指向分配的内存地址。

        采用volatile会禁止JVM的指令重排（指令重排会导致有些协程获取到还没有初始化的实例），保证多线程环境下的安全运行。

4. 饿汉式

        饿汉式在类加载时已经创建好该对象，在程序调用时直接返回该单例对象即可，即：在编码时已经指明马上创建该对象，不需要等待调用时再创建。

class Singleton{
    private static final Singleton instance= new Singleton();
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}; 

5. 静态内部类

        当外部类Singleton被加载时，静态内部类SingletonHolder并没有被加载金内存，当调用getInstance()方法时，才会触发SingletonHolder.instance，此时静态内部类才会被加载进内存，并且初始化instance实例。该方法延迟了实例化，节约了资源，且线程安全，性能也提高了。

class Singleton{
    private Singleton(){}    
    
    // 静态内部类持有实例
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    // 公告静态方法，返回实例
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}; 

6. 枚举类

        默认枚举实例的创建就是线程安全的，且在任何情况下都是单例。可以防止调用者使用反射、序列化与反序列化机制强制生成多个单例对象，破坏单例模式。

public enum Singleton{
    INSTANCE;
    
    // 可以添加其他方法和属性
    public void doSomething(){
        // 实现...
    }
}

总结：

（1）单例模式常见的写法有两种：懒汉式、饿汉式

• 懒汉式：在需要用到对象时才实例化对象，正确的实现方式是：Double Check + Lock，解决了并发安全和性能低下问题
• 饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，在获取单例对象时直接返回对象即可，不会存在并发安全和性能问题。

（2）在开发中如果对内存要求非常高，那么使用懒汉式写法，可以在特定时候才创建该对象；

        如果对内存要求不高使用饿汉式写法，因为简单不易出错，且没有任何并发安全和性能问题

（3）为了防止多线程环境下，因为指令重排序导致变量报NPE，需要在单例对象上添加volatile关键字防止指令重排序

（4）最优雅的实现方式是使用枚举，其代码精简，没有线程安全问题，且 Enum 类内部防止反射和反序列化时破坏单例。

三、应用场景

单例设计模式适用于以下⼀些场景：

• 资源共享：当多个模块或系统需要共享某⼀资源时，可以使用单例模式确保该资源只被创建⼀次，避免重复创 建和浪费资源。
• 控制资源访问：单例模式可以用于控制对特定资源的访问，例如数据库连接池、线程池等。
• 配置管理器：当整个应用程序需要共享⼀些配置信息时，可以使用单例模式将配置信息存储在单例类中，方便全局访问和管理。
• 日志记录器：单例模式可以用于创建⼀个全局的日志记录器，用于记录系统中的日志信息。
• 线程池：在多线程环境下，使用单例模式管理线程池，确保线程池只被创建⼀次，提高线程池的利⽤率。
• 缓存：单例模式可以⽤于实现缓存系统，确保缓存只有⼀个实例，避免数据不⼀致性和内存浪费。